پژوهشگران دانشگاه East China Normal موفق به ساخت دوربین مادون‌قرمز بدون لنز شدند که توانایی ثبت تصاویر مادون‌قرمز میانی با وضوح بسیار بالا و حتی در شرایط نوری ضعیف را دارد.
به گزارش تکناک، این دستاورد علمی با الهام از فناوری چند صد ساله Pinhole محقق شده است و می‌تواند مسیر جدیدی در زمینه تصویربرداری شبانه، بازرسی‌های صنعتی و پایش محیط زیست باشد.
تصویربرداری Pinhole یکی از قدیمی‌ترین روش‌های شناخته‌شده در تاریخ علم است، که نخستین بار توسط فیلسوف چینی Mozi در قرن چهارم پیش از میلاد توصیف شد. در دوربین‌های سنتی Pinhole، نور از طریق روزنه‌ای کوچک وارد جعبه‌ای تاریک می‌شود و تصویر وارونه‌ای از صحنه بیرونی روی سطح مقابل تشکیل می‌دهد. این روش برخلاف سامانه‌های مبتنی بر لنز، اعوجاج نوری ندارد، عمق میدان نامحدودی ایجاد می‌کند و در گستره وسیعی از طول‌موج‌ها عمل می‌نماید.
پژوهشگران با ترکیب همین اصل باستانی و فناوری‌های مدرن توانسته‌اند سامانه‌ای نوآورانه طراحی کنند، که محدودیت‌های موجود در تصویربرداری مادون‌قرمز را از میان برمی‌دارد. طیف مادون‌قرمز میانی نقش کلیدی در علوم مختلف ایفا می‌کند، چرا که اطلاعات ارزشمندی مانند: گرمای اجسام و اثر انگشت‌های مولکولی در آن ثبت می‌شوند. با وجود این، دوربین‌های متداول برای کار در این محدوده، پرهزینه، پر سر و صدا و نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده هستند. علاوه بر این، استفاده از لنز باعث کاهش عمق میدان و بروز اعوجاج می‌شود.
پروفسور هپینگ زنگ، رهبر تیم پژوهش در این‌باره گفت: «ما رویکردی بدون لنز توسعه دادیم که هم حساسیت بالاتری دارد و هم میدان دید و عمق بیشتری نسبت به سامانه‌های متداول ارائه می‌دهد.»
در مقاله‌ای که در مجله Optica منتشر شده است، پژوهشگران توضیح دادند که چگونه از یک لیزر پرقدرت برای ایجاد روزنه‌ای بسیار کوچک درون یک کریستال غیرخطی استفاده کردند. این روزنه نقش Pinhole نوری را ایفا می‌کند.
علاوه بر این، کریستال غیرخطی، تصویر مادون‌قرمز را به تصویر مرئی تبدیل می‌نماید و امکان ثبت آن با یک دوربین سیلیکونی استاندارد را فراهم می‌کند. نتیجه، تولید تصاویری شفاف با عمق میدان بیش از ۳۵ سانتی‌متر و میدان دیدی فراتر از ۶ سانتی‌متر بود. کوان هوانگ، عضو تیم پژوهش تأکید کرد: «به دلیل استفاده از اپتیک ساده‌تر و حسگرهای معمولی، این فناوری در آینده می‌تواند راه را برای تولید سامانه‌های مادون‌قرمز کم‌هزینه، قابل‌حمل و بهینه از نظر مصرف انرژی هموار کند.»
یکی از مهم‌ترین دستاوردها در ساخت دوربین مادون‌قرمز بدون لنز، تعیین ابعاد بهینه روزنه بود. محققان دریافتند که شعاع حدود ۰.۲۰ میلی‌متر بهترین وضوح را ایجاد می‌کند. آنها با این اندازه توانستند از اهدافی در فاصله‌های ۱۱، ۱۵ و ۱۹ سانتی‌متری تصاویر دقیقی در طول‌موج ۳.۰۷ میکرومتر ثبت کنند. حتی اجسام تا فاصله ۳۵ سانتی‌متری نیز با وضوح بالا تصویربرداری شدند، که نشان‌دهنده عمق میدان گسترده این سامانه است. علاوه بر این، کریستال مهندسی‌شده با ساختار دوره‌ای تغییریافته توانست نور را از زوایای مختلف بپذیرد و میدان دید وسیعی ایجاد کند. روش «تبدیل رو به بالا» نیز به طور طبیعی نویز را کاهش داد و تصویربرداری در نور بسیار ضعیف را امکان‌پذیر کرد.
این سامانه علاوه بر تصاویر دوبعدی، توانایی ثبت تصاویر سه‌بعدی نیز دارد. پژوهشگران برای تصویربرداری زمان‌پرواز سه‌بعدی، یک خرگوش سرامیکی مات را با پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه و هم‌زمان، تصویربرداری کردند و موفق به بازسازی شکل سه‌بعدی آن با دقت محوری در حد میکرون شدند. حتی هنگامی که ورودی نور به سطح بسیار پایینی ــ حدود ۱.۵ فوتون در هر پالس ــ کاهش یافت، روش پیشنهادی توانست با کمک حذف نویز مبتنی بر همبستگی، تصاویر سه‌بعدی قابل قبولی تولید کند.
در آزمایشی دیگر، پژوهشگران دو تصویر از هدفی شامل حروف “ECNU” در فاصله‌های کمی متفاوت ثبت کردند و توانستند اندازه و عمق واقعی اجسام را با دقتی بالا محاسبه کنند. این روش نشان داد که حتی بدون استفاده از تکنیک‌های زمان‌بندی پیچیده می‌توان به نتایج دقیق دست یافت.
این فناوری هنوز در مرحله اثبات مفهومی قرار دارد و اجرای آن نیازمند یک مجموعه لیزری بزرگ و پیچیده است. با وجود این، محققان امیدوار هستند که با توسعه مواد غیرخطی جدید و منابع نوری مجتمع، این سامانه در آینده، جمع‌وجورتر، سریع‌تر و کارآمدتر شود.
به گفته تیم پژوهش، برنامه‌های بعدی شامل افزایش بازده تبدیل نور، افزودن کنترل پویا برای تغییر شکل روزنه در شرایط مختلف و گسترش دامنه عملیاتی دوربین در محدوده وسیع‌تری از مادون‌قرمز خواهد بود.
تأثیرات این فناوری فراتر از حوزه آزمایشگاهی است. این دوربین مادون‌قرمز بدون لنز در حوزه امنیت و دفاع می‌تواند دید در شب را ارتقا دهد. در صنایع، امکان کنترل کیفیت دقیق‌تر و شناسایی نواقص پنهان در تجهیزات فراهم می‌شود. در محیط زیست نیز ابزار قدرتمندی برای پایش آلاینده‌ها و تغییرات دمایی خواهد بود.
از سوی دیگر، این فناوری توانایی فعالیت در باندهای دشوار مانند تراهرتز یا مادون‌قرمز دور را دارد؛ باندهایی که ساخت لنز برای آنها مشکل و پرهزینه است.
دوربین جدید بدون لنز بر پایه Pinhole، نمونه‌ای برجسته از پیوند اصول علمی کهن با نوآوری‌های مدرن است. پژوهشگران دانشگاه East China Normal نشان داده‌اند که می‌توان با ساده‌ترین مفاهیم، سامانه‌ای پیشرفته برای حل چالش‌های پیچیده امروز طراحی کرد.
